張詠梅，曾曉文

（九江學院 土木與城建學院，江西九江 332005）

鋼-混凝土組合節(jié)點的有限元應力分析

張詠梅，曾曉文

（九江學院 土木與城建學院，江西九江 332005）

近幾十年來，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在土木工程的高層和超高層建筑中得到廣泛應用。在工程設(shè)計中采用的節(jié)點形式多種多樣，且各有其不同的特性。在框架設(shè)計時，大都假設(shè)為剛接或鉸接節(jié)點，因而節(jié)點的受力特性有一定的差異。在一定荷載條件下，利用ANSYS有限元分析軟件對加強環(huán)式組合梁-鋼管混凝土柱節(jié)點進行了模擬分析。其主要結(jié)論為：①組合梁-鋼管混凝土柱節(jié)點在梁下翼緣與加強環(huán)交界邊緣處最早出現(xiàn)受壓屈服區(qū)，隨后向梁下翼緣、腹板擴散，此處應力變化顯著；②混凝土柱基本處于受壓狀態(tài)；③節(jié)點區(qū)鋼筋受力明顯，并沿翼板寬度減少。

組合節(jié)點；ANSYS；有限元分析

近幾十年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程的各個領(lǐng)域得到廣泛應用［1］。在高層和超高層建筑中，鋼管混凝土柱的特殊構(gòu)造，促進了研究者對梁-柱連接方面的研究。目前有超過20種的節(jié)點形式在工程中采用。各種特性不一的節(jié)點形式，在引入框架設(shè)計時，無一例外地被假設(shè)為剛接或鉸接節(jié)點［2］。

組合梁在節(jié)點負彎矩區(qū)，受力復雜，需要進一步研究。在有限元中和節(jié)點設(shè)計時，采用了平截面假定，假設(shè)鋼梁與混凝土共同作用。

通過對有限元分析結(jié)果的校核、修正，建立的有限元分析可以應用于組合梁柱節(jié)點分析。對該節(jié)點的研究，有助于框架節(jié)點研究，指導工程中組合梁柱節(jié)點設(shè)計，具有一定的實際意義。

1 單元類型的選擇

節(jié)點模型由鋼管、核心混凝土、H型鋼梁、混凝土翼板、混凝土翼板中的鋼筋和抗剪連接件栓釘組成［3］，本文在ANSYS中選擇了以下單元類型對節(jié)點各部分進行結(jié)構(gòu)模擬。

1.1 實體單元

在不同的單元族中，連續(xù)體或者實體單元能夠用來模擬范圍最廣泛的構(gòu)件。實體單元可以通過其任何一個表面與其它的單元相連，實體單元就像建筑物中的磚或馬賽克中的瓷磚一樣，能夠用來構(gòu)建具有幾乎任何形狀、承受幾乎任意載荷的模型。

文中選用了3-D實體單元中的SOLID45，作為鋼管、核心混凝土、H型鋼梁、混凝土翼板以及栓釘?shù)膯卧愋汀?/p>

1.2 桿單元

混凝土翼板中的鋼筋，采用了桁架單元中LINK1（2-node linear displacement）。

2 模型的建立與求解

根據(jù)上一節(jié)所述的單元類型，建立了節(jié)點的實體模型，如圖1所示，尺寸與試件完全相同。

圖2是有限元模型的單元結(jié)構(gòu)劃分。由于栓釘與梁柱尺寸比例相差很大，而本模型又都以實體建模，所以局部進行了細化。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element meshes

相關(guān)材料參數(shù)是對節(jié)點試驗時所采用的材料經(jīng)力學性能試驗測定、材料說明和材料經(jīng)驗公式［4］推算而來，見表1。

表1 有限元中材料參數(shù)表Table 1 Parameters of material in finite element

3 結(jié)果分析

本文的ANSYS分析結(jié)果采用應力云圖顯示，結(jié)果直觀，應力云圖中應力單位為Pa。顯示置值比取75%（Ave Crit：75%）。

3.1 節(jié)點加強環(huán)處的應力分布

圖3和圖4是加強環(huán)處的等效米塞斯應力（S.Mises））云圖，從圖中可以看出當梁上荷載加到40，90 k N時，加強環(huán)上垂直于梁方向90°范圍內(nèi)的等效應力值非常小。

圖3 上翼緣加強環(huán)處應力云圖Fig.3 Stress nephogram on the reinforced loop of the top flange

圖4 下翼緣加強環(huán)處應力云圖Fig.4 Stress nephogram on the reinforced loop of the lower flange

3.2 沿梁方向的縱向應力分布

圖5 至圖7是梁端荷載為40，90 k N時縱向應力S.Sll云圖。從圖中可以清楚地看到：梁上翼緣主要受拉，下翼緣主要受壓，上翼緣附近幾乎為0，是組合梁中和軸所在位置；沿梁截面從上至下，逐漸由受拉區(qū)過渡到受壓區(qū)，分層明顯。下翼緣與加強環(huán)交界邊緣處最先屈服，之后隨著荷載的增加，屈服面向腹板中間和梁端擴大。

圖5 上翼緣縱向應力分布Fig.5 Longitudinal stress distribution at the top flange

圖6 腹板縱向應力分布Fig.6 Longitudinal stress distribution of the ventral plate

圖7 下翼緣縱向應力分布Fig.7 Longitudinal stress distribution of the lower flange

3.3 混凝土柱三向受壓的應力狀態(tài)

圖8 是梁端荷載為90 kN時混凝土柱的應力云圖，從圖中可以看出核心混凝土基本上處于三向受壓的應力狀態(tài)。而與型鋼梁連接處的鋼管受力復雜，應力較大。

圖8 混凝土柱應力分布圖Fig.8 Stress of concrete column

3.4 混凝土板應力分布

圖9 是在梁端加載90 k N時，混凝土翼板底面縱向應力分布。從圖中可以看出，混凝土板與栓釘接觸的部分壓應力比較大，其余部分受拉力，達到了混凝土屈服拉應力。

圖9 混凝土板90 kN時應力分布圖Fig.9 Stress of concrete slab under the loading of 90 kN

3.5 鋼筋應力分布

圖10 是在梁端加載到90 k N時，上層縱向鋼筋的應力圖，鋼筋以桁架單元模擬，所以只有軸力。從圖中可以看出，靠近節(jié)點區(qū)的鋼筋應力最大，基本已經(jīng)屈服。

圖10 上層縱筋90 k N時應力分布圖Fig.10 Stress of top longitudinal bar under the load of 90 kN

4 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對加強環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼混凝土組合梁節(jié)點進行了模擬分析。主要結(jié)論如下：

（1）梁-鋼管混凝土柱節(jié)點在梁下翼緣與加強環(huán)交界邊緣處最早受壓屈服，屈服面從此處向梁下翼緣、腹板擴散，此處應力變化非常明顯，是節(jié)點設(shè)計中的重點；

（2）核心混凝土柱在受力過程中，基本處于三向受壓狀態(tài)，混凝土性能與單軸向受壓相比有顯著改善；

（3）節(jié)點區(qū)的鋼筋受力明顯，在沿混凝土翼板寬度方向，鋼筋受力呈逐漸減小趨勢。

［1］ 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（第三版）［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［2］ 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 宋彬彬，付功義，虞曉文.圓鋼管混凝土梁柱節(jié)點有限元分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2005，（2）：49-50.

［4］ 張 譽.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］ ELREMAILY A，AZIZINAMINI A.Design Provisions for Connections between Steel Beams and Concrete Filled Tube Columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2001，（077）：971-995.

Finite Element Stress Analysis on Joint of Steel-Concrete

ZHANG Yong-mei，ZENG Xiao-wen

（College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The steel-concrete composite structure has been used in high-storeyed buildings and over high-storeyed buildings of civil engineering recently.A variety of node types have been adopted in engineering practices.In the framework design，different kinds of node are commonly assumed to be rigid or hinge joint，which possess different node characteristics.Under certain loading condition，the joint node of beam-column steel concrete are simulated using the finite element software ANSYS.Main conclusions are represented as follows：（1）In the junction of the lower flange in the beam and the reinforced loop of the composite beam-column，a yield area occurs first，and then the zone spreads toward the lower flange of the beam and ventral plate，where the change of stress is distinct.（2）The concrete column is in compressive state basically.（3）Steel reinforcements are forced obviously in the node area and forces decrease gradually along the width of the flange plate.

composite joint；ANSYS；finite element analy sis

TU375

A

1001-5485（2009）07-0066-03

2009-02-14；

2009-03-27

張詠梅（1972-），女，湖北荊門人，實驗師，主要從事結(jié)構(gòu)性能實驗研究，（電話）13407027451（電子信箱）zengxwzxw＠sohu.com。

（編輯：劉運飛）

·簡訊·

長江科學院打響國家“十一五”膨脹土課題攻堅戰(zhàn)

2009年6月13日，國家“十一五”科技支撐項目之“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究”課題階段成果專題討論會在河南省南陽市召開。專題討論會由長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室組織。

專題討論會對長江科學院完成的膨脹土（巖）物理力學特性試驗、物理模型試驗、現(xiàn)場原型試驗及膨脹土渠坡穩(wěn)定分析成果進行了系統(tǒng)的對比分析和討論。會議認為，經(jīng)過多學科集中攻關(guān)研究，課題組在膨脹土（巖）地段渠道破壞機理、膨脹土（巖）渠坡穩(wěn)定分析及數(shù)值模擬方法、膨脹土渠坡處理理念和處理方案現(xiàn)場驗證等方面已取得重大突破。

（摘自《長江科學院網(wǎng)》）